DE3445539C2

DE3445539C2 -

Info

Publication number: DE3445539C2
Application number: DE3445539A
Authority: DE
Inventors: Robert L. Saline Mich. Us Anderson; William R. Westland Mich. Us Mcdonald
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1983-12-22
Filing date: 1984-12-13
Publication date: 1989-05-24
Also published as: DE3445539A1; US4622638A; GB2154008B; GB8432682D0; GB2154008A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Steuerkreis einer Ionisationssonde der durch den Oberbegriff des Patentan spruches 1 angegebenen Gattung.

Die Verwendung einer Ionisationssonde zur Steuerung des Verbrennungsablaufes in der Brennkammer einer Brennkraft maschine ist seit längerem bekannt. Die Ionisationssonde wird dafür in der Brennkammer angeordnet, um beispielsweise Meßwerte für den Brennkammerdruck zu liefern, so daß mit einer Auswertung dieser Meßwerte beispielsweise für eine Kleinhaltung der Schadstoffanteile in den Auspuffgasen eine Verstellung des Zündzeitpunktes und eine Korrektur anderer Betriebsparameter der Brennkraftmaschine mit einer geeigneten elektronischen Steuerung durchgeführt werden können. Beispiele der bisher bekannten Verwendung solcher Ionisationssonden sind in den US-PS 43 04 203 und 43 77 140 sowie in den GB-PS 15 12 213 und 20 60 062 beschrieben.

Aus der US-PS 43 45 154 ist daneben die Verwendung einer Ionisationssonde zur Erfassung des Schadstoffanteils von Auspuffgasen bekannt. Dabei ist für die Ionisationssonde die Versorgung mit einer Vorspannung vorgesehen, um eine Verfälschung der von der Sonde gelieferten Meßwerte als Folge einer unregelmäßigen Strömung der Auspuffgase zu verhindern.

Damit bei einem Steuerkreis der angegebenen Gattung die von der Ionisationssonde gelieferten Meßwerte möglichst genau an den elektronischen Steuermodul weitergeleitet werden, müssen die kapazitiven Einflußgrößen des für die Anschlußverbindung vorgesehenen Koaxialkabels möglichst ausgeschaltet werden. In diesem Zusammenhang interes siert, daß eine Ionisationssonde meistens einen Metall körper umfaßt, der mit einer elektrisch isolierten Anord nung durch ein Loch im Maschinenblock der Brennkraftmaschine in die Brennkammer eingeführt wird, so daß die bei der Zün dung des Brenngemisches an der Flammenfront erzeugt frei en Ionen einen Stromfluß durch die Ionisationssonde erzeugen können. Durch diesen Stromfluß wird der effektive Widerstand zwischen der Sonde und den Zylinderwänden verringert. Typi sche Werte für diese Änderung des Widerstandes reichen zwi schen 0 und etwa 1 bis 2 Megohm für die Abwesenheit bzw. die Anwesenheit einer Verbrennung in der Brennkammer. Durch die Ionisationssonde wird folglich ein Meßwert für die Zeit geliefert, die zwischen der Zündung des Brenngemisches und der Ankunft dieser Flammenfront an der Meßzelle der Sonde ver streicht. Dieser Zeitwert wird dann für eine Bestimmung der Qualität des stattfindenden Verbrennungsablaufes aus gewertet.

Bei Verwendung eines Steuerkreises der angegebenen Gattung für eine Brennkraftmaschine von Kraftfahrzeugen ist zu berücksichtigen, daß derartige Ionisationssonden gewöhn lich einen sehr hohen Impedanzwert aufweisen und das Ko axialkabel für die Anschlußmöglichkeit an einen elektro nischen Steuermodul eine größere Länge haben muß. Das Ko axialkabel muß dabei gegen Störgeräusche gut abgeschirmt werden, um eine Verfälschung der von der Sonde geliefer ten Meßwerte beispielsweise durch Zündgeräusche zu ver hindern. Unter Hinweis auf die Fig. 1 der Zeichnung ist bekannt, ein Koaxialkabel einer hierbei zu berücksichtigen den Länge zwischen 2 und 4 Meter über einen Widerstand von beispielsweise 1 Megohm an die Schnittstelle mit einem elektronischen Steuermodul anzuschließen. Die Zwischen schaltung eines Widerstandes dieser relativ hohen Impedanz ergibt jedoch den Nachteil, daß damit wegen der hohen Impedanz der Ionisationssonde und der Kapazität des mit einer Abschirmung versehenen Koaxialkabels eine verhältnismäßig lange Ansprechzeit für den Steuermodul erhalten wird, nämlich bei einer Kapazität des Koaxialkabels von etwa 500 Picofarad eine Ansprechzeit von etwa 500 Mikrosekunden. Dieser Zeit entspricht bei einer Brennkraft maschine, die mit einer Drehzahl von 6000 U/min betrie ben wird, ein Kurbelwinkel von 18°. Eine für eine Kleinhaltung der Schadstoffanteile in den Aus puffgasen geeignete Steuerung der verschiedenen Betriebs parameter der Brennkraftmaschine erfordert demgegenüber jedoch die Berücksichtigung eines Kurbelwinkels von wenig stens ±1°, womit diese Werte für eine Korrekturmöglichkeit des Verbrennungsab laufs in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine nicht akzeptabel sind.

Die durch die Patentansprüche gekennzeichnete Erfindung löst die Aufgabe, einen Steuerkreis einer Ionisations sonde der angegebenen Gattung derart auszubilden, daß für den Auswerte-Steuermodul eine kurze Ansprechzeit erhalten wird und die kapazitiven Störgrößen des Koaxialkabels für die Weiterleitung der Meßwerte verringert werden.

Die mit dem erfindungsgemäßen Steuerkreis erhaltenen Vor teile liegen im wesentlichen darin, daß mit der unter Vermittlung des Operationsverstärkers für die Ionisationssonde bereit gestellten positiven Vorspannung die kapa zitiven Störgrößen des Koaxialkabels wesentlich verrin gert und damit auch bei größeren Kabellängen relativ kurze Ansprechzeiten für den elek tronischen Auswerte-Steuermodul erhalten werden können. Durch die Vor schaltung des Operationsverstärkers wird an der Ionisationssonde jeder Spannungswechsel unterdrückt, so daß mit dem Koaxial kabel eine kapazitive Beein flussung der Ansprechzeit unterbleibt und andererseits nur die Stromimpulse eine Verstärkung erfahren, die von der Ionisationssonde bei einer Änderung des Wi derstandes erzeugt werden.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Steuerkrei ses ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm zur Erläuterung der bekannten Anschluß verbindung einer Ionisationssonde an einen elektronischen Auswerte-Steuermodul,

Fig. 2 ein Blockdiagramm des Steuerkreises,

Fig. 3 ein Schaltbild der wesentlichen Bauteile des bei dem Steuerkreis ver wendeten Operationsverstärkers,

Fig. 4 ein Schaubild zur Darstellung der von einem Stromdetektor des Operations verstärkers in Abhängig keit von einem Rückkoppelungswider stand gelieferten Spannung und

Fig. 5 ein Schaubild zur Darstellung der Zündspannung, der Ausgangsspannung des Stromdetektors und der Ausgangs spannung des Stufendetektors über der Zeit bei Verwendung eines Opera tionsverstärkers der in Fig. 3 gezeigten Ausbildung.

Gemäß dem Blockdiagramm in Fig. 2 ist ein elektronischer Auswerte-Steuermodul 10 über ein Koaxialkabel 12 an eine Ionisa tionssonde 11 angeschlossen, die zur Überwachung des Ver brennungsablaufes in der Brennkammer einer Brennkraftma schine vorgesehen ist. An die Schnittstelle des Steuermoduls 10 ist ein Operationsverstärker 13 angeschlossen, der einen mit dem Koaxialkabel 12 verbunde nen Stromdetektor 15 und einen mit diesem verbundenen Stufendetektor 16 umfaßt und zur Versorgung der Ionisa tionssonde 11 mit einer positiven Vorspannung eingerich tet ist. Durch den Operationsverstärker 13 wird damit eine Ausgangsspannung erzeugt, die abhängig ist von dem von der Ionisationssonde 11 bei einer Änderung ihres Wi derstandes gelieferten Stromimpuls. Der Stromimpuls wird durch den Stufendetektor 16 verstärkt und als Rechteckimpuls einem Mikroprozessor 14 des Steu ermoduls 10 zugeleitet. Der Mikroprozessor 14 ist mit einer Software ausgerüstet, die in Abhängigkeit von diesen zugeleiteten Rechteckimpulsen beispielsweise den Zündzeitpunkt, eine Kreislaufführung der Auspuffgase und die Zusammensetzung des Brenngemisches der Brennkraftma schine steuern läßt.

Gemäß der Fig. 3 umfaßt der Stromdetektor 15 einen ersten Opera tionsverstärker 151, welcher dem Stufendetektor 16 als eine Vergleichseinrichtung vorgeschaltet ist. Ein positiver Ein gang dieses Operationsverstärkers 151 ist über einen Wider stand 153 an eine Spannungsquelle 152 und über einen weite ren Widerstand 154 an Erde angeschlossen. An die Spannungs quelle 152 ist auch ein negativer Eingang des Operations verstärkers 151 über einen Widerstand 155 angeschlossen. Ein Rückkoppelungswiderstand 156 verbindet den Ausgang des Operationsverstärkers 151 mit seinem negativen Eingang. Parallel zu diesem Rückkoppelungswiderstand 156 ist noch eine Reihenschaltung eines Widerstandes 157 und einer Diode 158 geschaltet. Das Koaxialkabel 12 ist mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 151 verbunden.

Der Stufendetektor 16 umfaßt andererseits einen dem Mikro prozessor 14 als entsprechende Vergleichseinrichtung vorge schalteten zweiten Operationsverstärker 131, der mit einem positiven Eingang über einen Widerstand 132 an den Ausgang des ersten Opera tionsverstärkers 151 angeschlossen ist. An den negativen Eingang des Operationsverstärkers 131 ist eine Schwellenspannung 133 angelegt. Zwischen dem Ausgang und dem positiven Eingang des Operationsverstärkers 131 ist noch ein Rückkoppelungswiderstand 134 geschaltet.

Der Operationsverstärker 151 des Stromdetektors 15 erzeugt bei einer Änderung des Widerstandes der Ionisationssonde 11 eine Ausgangsspannung V 1. Wenn die Widerstände 155 und 156 gleich groß gewählt werden wie der Widerstand, den die Ionisationssonde bei der Verbrennung des Brenngemisches in der Brennkammer erfährt, und wenn weiterhin die Widerstän de 153 und 154 so gewählt werden, daß diese Ausgangsspannung V 1 des ersten Operationsverstärkers 151 positiv ist, damit sich die ser Operationsverstärker in einem linearen Betriebsbereich be findet, dann wird bei einer Verringerung des Widerstandes der Ioni sationssonde der durch das Koaxialkabel 12 fließende Strom verstärkt. Die Ausgangsspan nung V 1 des Operationsverstärkers 151 wird daher ent sprechend vergrößert erfahren, so daß dessen negative Eingangsspannung relativ niedrig gehalten wird und nur eini ge Mikrovolt der positiven Eingangsspannung beträgt. Die negative Eingangsspannung des Operationsverstärkers 151 und damit die der Ionisations sonde 11 in bezug auf deren Erdschluß aufgedrückte Vorspan nung wird daher bei dieser Stromer höhung kaum verändert. Die Ansprechzeit der Ausgangsspannung V 1 des Operationsverstärkers 151 auf eine Änderung des Wi derstandes R _S der Ionisationssonde 11 ist somit nur noch abhängig von dem Verhältnis dieses Widerstandes R _S zu dem Wert R _F des Rückkoppelungswiderstandes 156. Wenn die bei den Widerstände R _S und R _F gleich sind und damit dieses Ver hältnis den Wert 1 annimmt, dann ist die Ausgangsspannung V 1 des Operationsverstärkers 151 etwa halb so groß wie die von der Spannungsquelle 152 gelieferte Spannung. Ist der Widerstand R _S größer als der Wert R _F des Rückkoppelungswi derstandes 156, dann fällt entsprechend der Darstellung in Fig. 4 die Ausgangsspannung V 1 des Operationsverstärkers 151 gegen 0 ab, während sie umgekehrt auf einen Wert mehr als das Doppelte der von der Spannungsquelle 152 gelieferten Spannung ansteigt, wenn sich dieses Verhältnis R _S/R _F er niedrigt. Die Erhöhung der Ausgangsspannung V 1 findet da bei eine Begrenzung durch die Sättigung des Operationsverstär kers 151.

Durch den Widerstand 157 und die Diode 158 wird der dyna mische Strombereich des Stromdetektors 15 erweitert. Wenn die Ausgangsspannung V 1 einen Wert größer als ^Vcc/₂ an nimmt, dann arbeitet der Widerstand 157 parallel zu dem Widerstand 156 als ein weiterer Rückkoppelungswiderstand. Wenn daher der Widerstand 157 einen Wert erhält, der beispielsweise ein Viertel des Wertes R _F des Rückkoppelungs widerstandes 156 beträgt, dann wird dadurch für Werte des Widerstandes R _S kleiner als der Wert R _F der Verstärkungs faktor des Steuerkreises verkleinert und damit dessen dyna mischer Arbeitsbereich entsprechend der in Fig. 4 ge strichelt gezeichneten Steuerkurve vergrößert.

Die an den zweiten Operationsverstärker 131 des Stufendetektors 16 angelegte Schwellenspannung 133 wird auf einen Wert V _T etwas größer als die zum Öffnen des Steuerkreises erforderliche Ausgangsspannung V 1 des ersten Operationsverstärkers 151 einge stellt. An dem Ausgang des Operationsverstärkers 131 wird daher immer dann ein Spannungssignal erhalten, wenn bei einer Verringerung des Widerstandes der Ionisationssonde 11 eine Vergrößerung der Ausgangsspannung V 1 eintritt. In Fig. 5A ist dargestellt, daß sich der Widerstand R _S der Ionisationssonde 11 von einer unendlichen Zahl auf etwa 1 bis 2 Megohm erniedrigen kann, wenn nach der Ent zündung des Brenngemisches dessen Verbrennung in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine stattfindet. Diese Erniedrigung des Widerstandes R _S erzeugt entsprechend der Darstellung in Fig. 5B eine Ausgangsspannung V 1 bis maximal etwa 5 Volt an dem Operationsverstärker 151 des Stromdetektors 15 und entsprechend der Darstellung in Fig. 5C eine entsprechende Ausgangsspannung Vcc an dem Operationsverstärker 131 des Stufendetektors 16, so fern dessen Schwellenspannung V _T auf einen Wert kleiner als 5 Volt eingestellt ist. Die Ansprechzeit des Steuer kreises ist damit nur durch die Bandbreite begrenzt, mit der die beiden Operationsverstärker des Stromdetektors 15 und des Stufendetektors 16 arbeiten. Wenn diese Band breite die für solche Operationsverstärker typischen Werte zwischen etwa 500 kHz und etwa 1 mHz aufweist, dann wird damit eine Ansprechzeit des Steuerkreises von etwa 1 bis 2 Mikrosekunden erhalten, was bei einer Drehzahl von 6000 U/min der Brennkraftmaschine einem Kurbelwinkel von etwa 0,037 bis 0,074° entspricht. Diese Werte sind für eine Steuerung der verschiedenen Betriebsparameter der Brenn kraftmaschine durch den Mikroprozessor 14 ohne weiteres akzeptabel, zumal damit eine Verbesserung um den Faktor 500 im Vergleich zu den bisher bekannten Ausführungsfor men eines solchen Steuerkreises erzielt wird.

Claims

1. Steuerkreis einer Ionisationssonde, die für eine Erfassung und Auswertung von Meßwerten über einen Verbrennungsablauf in einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine mittels eines Koaxialkabels an die Schnittstelle eines elektronischen Aus werte-Steuermoduls angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Koaxialkabel (12) durch einen Operationsverstärker (13) mit einer Konstant spannung versorgt ist, um für die Ionisationssonde (11) eine positive Vorspannung zu erhalten, wobei der Operationsver stärker (13) mit einer Reihenschaltung eines einen Spannungs ausgang in Abhängigkeit von einem Stromausgang der Ionisa tionssonde (11) erzeugenden Stromdetektors (15) und eines einen Rechteckimpuls in Abhängigkeit von diesem Spannungs ausgang erzeugenden Stufendetektors (16) umfaßt, der ausgangs seitig an einen verschiedene Betriebsparameter der Brennkraft maschine steuernden, den Steuermodul eingliedernden Mikropro zessor (14) angeschlossen ist.

2. Steuerkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromdetektor (15) einen dem Stufendetektor (16) als Vergleichseinrichtung vorgeschalteten ersten Operationsverstärker (151) umfaßt, der mit einem negativen Eingang an das Koaxialkabel (12) und über einen ersten Widerstand (155) an eine Spannungsquelle (152) und der mit einem positiven Eingang über einen zweiten Wider stand (153) ebenfalls an die Spannungsquelle (152) ange schlossen sowie über einen dritten Widerstand (154) geerdet ist, und daß an den Ausgang dieses ersten Operationsver stärkers (151) ein mit seinem positiven Eingang verbun dener Rückkoppelungswiderstand (156) angeschlossen ist, zu dem ein mit einer Diode (158) in Reihe geschalteter vierter Widerstand (157) parallel geschaltet ist.

3. Steuerkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stufendetek tor (16) einen dem Mikroprozessor (14) als Vergleichsein richtung vorgeschalteten zweiten Operationsverstärker (131) umfaßt, der mit einem positiven Eingang über einen fünften Widerstand (132) an den Stromdetektor (15) angeschlossen ist und an dessen negativen Eingang eine Schwellenspannung (133) angelegt sowie dessen Ausgang über einen sechsten Wider stand (134) mit seinem positiven Eingang verbunden ist.